原子レベルの欠陥制御に資する計算手法の開発とパワーデバイス用半導体への適用

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05294
• 研究機関: 岡山県立大学
• 研究代表者: 末岡 浩治 岡山県立大学, 情報工学部, 教授 (30364095)
• 研究分担者: 山本 秀和 千葉工業大学, 工学部, 教授 (00581141) ; 中塚 理 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20334998)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: パワーデバイス / 欠陥制御 / 計算手法

研究実績の概要

本研究の全体構想は，点欠陥の熱平衡濃度に与えるドーパントと不純物の影響，さらに各要素間の結合エネルギーについて，実験パラメータを用いることなく算出可能な手法として開発した“箱庭法”により計算し，その結果を結晶成長の連続体シミュレーションに組み込むことで形成しうる欠陥種と濃度を予測可能な計算手法へと発展させ，それを適用してSi，SiC，GaNなどパワーデバイス用半導体の高品位化に貢献することである．
2021年度は，SiパワーMOSFET用超高濃度Pドープn型Si結晶に関して，格子間Pの凝集や原子空孔（V）を含むP4Vの形成などに関する第一原理計算を行った．その結果から格子間PやP4Vの熱平衡濃度を求めた結果，格子間Pは置換Pの0.1%程度，P4Vは置換Pの50%程度の熱平衡濃度を有することがわかった．
つぎに，IGBT用パワーデバイス用SiウェーハにおけるHイオン注入を考慮して，Hによるキャリアライフタイムの制御について検討した．その結果，ライフタイム制御欠陥に悪影響を与える格子間炭素（Ci）と格子間炭素-格子間酸素複合体（Ci-Oi）がHと強く結合することから，Hイオン注入により，CiとCi - Oiによるライフタイム制御欠陥への悪影響を抑制できる可能性を指摘した．
さらに，GaNについて，原子空孔（V）と自己格子間原子（I）の形成エネルギーに関する計算も行った．主要な結果として，V(Ga)-I(Ga)ペアよりもV(N)-I(N)ペアの方が安定であることがわかった．なお，SiCに関しては信頼性の高い結果を得ることができず，今後の課題として残った．

研究成果

• [雑誌論文] Density functional theory study on concentration of intrinsic point defects in growing N-doped Czochralski Si crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Motoharu、Sueoka Koji、Hourai Masataka
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 571 ページ: 126249～126249
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126249
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical study of stress impact on formation enthalpy and thermal equilibrium concentration of impurities and dopants in Si single crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwashiro Hiroya、Sueoka Koji、Torigoe Kazuhisa、Ono Toshiaki
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 572 ページ: 126284～126284
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126284
  • 査読あり